Tranzystor – półprzewodnikowa rewolucja

0
174

Dzisiaj są dosłownie wszędzie. We wzmacniaczach, źródłach prądowych, stabilizatorach, generatorach, jako klucz elektroniczny służą do budowy bramek logicznych w układach scalonych, wykorzystywane są w pamięciach typu RAM i ROM. Bez nich nie byłby możliwy rozkwit elektroniki oraz cyfryzacja, nie byłby możliwy styl życia jaki znamy. Tranzystory – trójelektrodowe, półprzewodnikowe drobiazgi wzmacniające sygnał. W drugiej połowie XX wieku zastąpiły i wyparły lampy elektronowe, rozpoczynając erę miniaturyzacji urządzeń elektronicznych – kieszonkowe radia tranzystorowe, przenośne telewizory. Dziś w mikroprocesorach będących układami najwyższej skali integracji ich liczba przekracza miliard. Skala ich produkcji jest zatem ogromna – każdego roku wytwarza się obecnie tryliony tranzystorów. Kiedy pojawił się ten pierwszy?…

Historia

Pierwsze tranzystorowe patenty zarejestrowane zostały już w latach dwudziestych ubiegłego wieku, jednak ze względu na niewystarczający poziom technologiczny (konieczność zachowania odpowiedniego stopnia czystości materiałów) nie udało się żadnego tranzystora wówczas skonstruować. Pierwsza zakończona powodzeniem próba miała miejsce w roku 1947 w laboratoriach firmy Bell Labs. John Bardeen oraz Walter Houser Brattain stworzyli pierwszy działający tranzystor ostrzowy. Mieli oni jednak kłopot z uzyskaniem patentu ze względu na istniejące wcześniej wspomniane rejestracje niemieckiego naukowca Juliusa Edgara Lilienfelda, którego pomysły zbliżone były do późniejszego tranzystora typu MOSFET.

W kolejnych latach konstrukcję modyfikowano – William Bradford Shockley opracował projekt bipolarnego tranzystora złączowego, który gotowy był w 1950 roku. W 1956 roku Bardeen, Brattain i Shockley za wynalazek tranzystora otrzymali nagrodę Nobla. Niestety, nie wszystkich prace zostały odpowiednio uhonorowane – niektóre nawet zapomniane. Taki los spotkał „transistron” opracowany przez dwójkę niemieckich fizyków Herberta Mataré i Heinricha Welkera pracujących w paryskim oddziale firmy Westinghouse, którzy w 1949 roku zakończyli niezależne prace nad swoją wersją tranzystora.

Prace nad tranzystorem trwały dalej – w 1952 Shockley opracował złączowy tranzystor polowy JFET. Na podobne urządzenie wniosek o patent złożyli także japońscy inżynierowie Jun-ichi Nishizawa i Y. Watanabe w roku 1950, zaś pierwszy działający JFET autorstwa George’a F. Daceya i Iana M. Ross’a powstał w 1953 roku. W 1959 John Atalla i Davon Kahng, także pracujący dla Bell Labs, opracowali tranzystor polowy typu MOSFET. Ich badania przyczyniły się do zbudowania pierwszego tego typu tranzystora przez Stevena Hofsteina oraz Fredrica Heimana w roku 1962.

Chociaż tranzystory polowe były nieco wolniejsze w działaniu od tranzystorów bipolarnych, miały jednak te zalety, że były tańsze, mniejsze i oszczędniejsze w zużyciu energii.

Zasada działania

Podczas prac nad tranzystorem korzystano z materiałów półprzewodnikowych. Półprzewodnikami nazywamy substancje krystaliczne charakteryzujące się zmiennym przewodnictwem elektrycznym, które można modyfikować poprzez domieszkowanie, oświetlanie, ogrzewanie tudzież inne czynniki. Innymi słowy w pewnych warunkach materiał półprzewodnikowy będzie zachowywał się jak dielektryk, w innych zaś będzie prąd przewodził. Wśród najczęściej stosowanych w elektronice materiałów tego rodzaju wymienić należy krzem, german, arsenek i azotek galu, antymonek indu.

Choć wspólny dla wszystkich tranzystorów jest rodzaj materiału, z którego zostały wykonane, zasada działanie tranzystorów jest nieco odmienna ze względu na różnice w ich typach. Najistotniejszy podział wśród tranzystorów przebiega pomiędzy tranzystorami bipolarnymi i polowymi. Nie wdając się w typologię i klasyfikacje, należy powiedzieć, iż tranzystory bipolarne zbudowane są z trzech warstw półprzewodnika – do każdej warstwy dołączone jest jedno wyprowadzenie: emiter, baza i kolektor. Jeśli do bazy przyłożymy napięcie względem emitera to z emitera zaczną przepływać w kierunku bazy elektrony. Obszar półprzewodnika bazy jest bardzo cienki i tylko część elektronów tam trafi, większość elektronów dociera do kolektora. Zatem zmieniając prąd bazy regulować można prąd kolektora. Inaczej mówiąc, niewielki prąd płynący pomiędzy bazą i emiterem steruje większym prądem płynącym między emiterem a trzecią elektrodą kolektora. Stosunek obu prądów stanowi wzmocnienie prądowe. W ten sposób ujawnia się podstawowa właściwość tranzystora jaką jest umiejętność wzmacniania sygnału.

W przypadku tranzystora polowego sterowanie prądem odbywa się za pomocą pola elektrycznego. Tranzystor polowy zbudowany jest z kawałka kryształu z domieszka półprzewodnika i trzech elektrod: źródła, drenu i bramki. Między źródłem i drenem znajduje się obszar zwany kanałem. Właśnie tamtędy płynie prąd. Przyłożone do bramki napięcie wywołuje pole elektryczne, które wpływa na rozkład nośników prądu w kanale. Skutkuje to zmianą przekroju kanału, co przejawia się zmianą oporu dren-źródło – w ten sposób reguluje się natężenie prądu płynącego między źródłem a drenem.

Zastosowania

W latach 50. i 60. tranzystor zaczął być stosowany powszechnie. Zasada działania – prąd steruje prądem – była identyczna jak w przypadku lamp próżniowych, a że tranzystory były znacznie tańsze w produkcji, pojawiały się wszędzie tam gdzie dotąd stosowane były lampy. Z chęcią zastępowano energochłonne lampy w pierwszych maszynach liczących, znacznie mniejszy tranzystor pozwalał na wykonywanie tych samych prac z większą niezawodnością i mniejszym zużyciem energii. Zastosowanie znalazły także w aparaturze wzmacniającej sygnał w sieciach telefonicznych. Z tych względów firma AT&T zainteresowana była pracami i finansowaniem badań nad półprzewodnikami. Jednak prawdziwa rewolucja z użyciem tranzystora miała miejsce wraz z pojawieniem się pierwszych przenośnych odbiorników radiowych. Radia przestały być ozdobą salonu, zaczęły towarzyszyć ludziom w ich codziennych czynnościach, były coraz tańsze, zaczęły pojawiać się dosłownie wszędzie, wpłynęły na styl życia i upowszechnienie się muzycznego przekazu, stały się ikoną epoki rock&rolla. Wkrótce zaczęły się pojawiać kolejne urządzenia na bazie półprzewodników. Jeszcze mniejsze, jeszcze szybsze i jeszcze bardziej zaawansowane. Wpływ na to miały prowadzone równolegle przez Roberta Noyce’a (późniejszego twórcę Intela) i Jacka Kilby prace badawcze zakończone bojem o prawa patentowe do układu scalonego – pomysł by na jednej płytce krzemu zmieścić cały obwód z wykorzystaniem wielu tranzystorów stał się podwaliną rozwoju współczesnej elektroniki. Choć prawa patentowe w 1961 roku uzyskał Robert Noyce, dziś obaj uznawani są za równorzędnych twórców układu scalonego.

Rozwój

Dzisiejsze urządzenia wymagają coraz bardziej gęstego upakowania tranzystorów. Ich liczba mieszcząca się w jednym układzie scalonym co dwa lata ulega podwojeniu. Procesor Intel 486 z 1989 roku miał ponad milion tranzystorów, Pentium z 1993 roku miało ich już 3 mln, a dwurdzeniowe procesory mieściły ich już ponad półtora miliarda. Wskaźnikiem technicznego zaawansowania procesu oraz gęstości upakowania elementów układu scalonego jest minimalna długość kanału tranzystora. Jest on nazywany rozmiarem charakterystycznym – im jest on mniejszy, tym upakowanie tranzystorów oraz szybkość działania układu są większe. W kolejnych generacjach układów scalonych rozmiar charakterystyczny jest sukcesywnie zmniejszany. Długości kanałów współczesnych tranzystorów są rzędu nanometrów, a proces ich miniaturyzacji ciągle trwa. W 2005 roku do produkcji weszły układy wykonane w technologii 65 nm, w 2008 roku Intel przedstawił procesor w technologii 45 nm, w 2011 pojawiły się procesory w technologii 32 nm (Sandy Bridge), w 2012 Intel w swoim katalogu umieścił pierwsze procesory z linii Ivy Bridge produkowane w technologii 22 nm, zaś na kwiecień 2019 roku firma TSMC zapowiedziała testową produkcje układów w technologii 5 nm.

Gordon E. Moore, współzałożyciel Intela, przewiduje jednak, że około roku 2025 ze względu na bariery fizyczne proces miniaturyzacji zostanie zatrzymany. Oczywiście wciąż można będzie zwiększać powierzchnię układu scalonego, albo umieszczać tranzystory warstwowo. Niemniej jednak trwają prace nad nowymi technologiami obejmującymi tranzystory z węglowych nanorurek i fullerenów czy układy kwantowe.

Póki co jednak tradycyjne tranzystory półprzewodnikowe nie oddają pola i trudno wyobrazić sobie bez nich elektroniczny świat. Może jedynie niektórym audiofilom nie w smak jest ten metaliczny posmak tranzystorowego brzmienia…

Dodaj komentarz

avatar
  Subscribe  
Powiadom o